The use of a swirling flow can provide a more uniform velocity distribution and a calmer filling condition according to previous studies of both ingot and continuous casting processes of steel. However, the existing swirling flow generation methods developed in last decades all have some limitations. Recently, a new swirling flow generator, the TurboSwirl device, was proposed. In this work, the convergent nozzle was studied with different angles. The maximum wall shear stress can be reduced by changing the convergent angle between 40º and 60º to obtain a higher swirl intensity. Also, a lower maximum axial velocity can be obtained with a smaller convergent angle. Furthermore, the maximum axial velocity and wall shear stress can also be affected by moving the location of the vertical runner. A water model experiment was carried out to verify the simulation results of the effect of the convergent angle on the swirling flow pattern. The shape of the air-core vortex in the water model experiment could only be accurately simulated by using the Reynolds Stress Model (RSM). The simulation results were also validated by the measured radial velocity in the vertical runner by the ultrasonic velocity profiler (UVP). The TurboSwirl was reversed and connected to a traditional SEN to generate the swirling flow. The periodic characteristic of the swirling flow and asymmetry flow pattern were observed in both the simulated and measured results. The detached eddy simulation (DES) turbulence model was used to catch the time-dependent flow pattern and the predicted results agree well with measured axial and tangential velocities. This new design of the SEN with the reverse TurboSwirl could provide an almost equivalent strength of the swirling flow generated by an electromagnetic swirling flow generator. It can also reduce the downward axial velocities in the center of the SEN outlet and obtain a calmer meniscus and internal flow in the mold. / Tidigare studier visar att ett roterande flöde kan ge en mer likformig hastighetsfördelning och en lugnare fyllning i både göt- och stränggjutning av stål. De befintliga metoderna för att generera ett roterande flöde har vissa begränsningar. En ny metod för att generera det roterande flödet, en så kallad TurboSwirl, föreslogs nyligen. I detta arbete undersöktes ett konvergent munstycke med olika vinklar för att se hur detta påverkade det roterande flödet som genererades i anordningen. Resultaten visar att skjuvspänningen i systemet kan reduceras genom att ändra munstyckets vinkel mellan 40º till 60º. En lägre maximal axiell hastighet kan också uppnås med en mindre konvergent vinkel på munstycket. Det är även möjligt att påverka den maximala axiella hastigheten och skjuvspänningen i systemet genom att förflytta den vertikala kanalen i anordningen. Vattenmodellexperiment har utförts för att validera simuleringsresultaten. Det kraftigt roterande flödet kunde endast beskrivas väl av Reynolds Stress Model (RSM). Validering utfördes också genom att mäta den radiella hastigheten i den vertikala kanalen med en Ultrasonic Velocity Profiler (UVP). TurboSwirl-anordningen vändes och kopplades till gjutröret för att generera det roterande flödet. Detta studerades både med numeriska modeller och med vattenmodellering. Ett periodiskt asymmetriskt roterande flöde observerades både i numeriska modellerna och i vattenmodellerna. För att modellera detta periodiska flöde så användes detached eddy simulation (DES) modellen. Resultaten då denna modell användes stämmer väl med de experimentella mätningarna. Denna nya design med TurboSwirl kan uppnå liknande styrka på det roterande flödet som när elektromagnetisk omrörning användes. Det resulterande roterande flödet leder till en lägre axiell hastighet i gjutröret samt en lugnare yta och ett lugnare flöde i kokillen. / <p>QC 20161123</p>

The ladle furnace process is an important process in the steel manufacturing industry. The purpose of this process is to optimize the composition of the elements in the melt as well as to homogenize the temperature in the liquid. It is common practice to model this process using smaller water models. In order to accurately scale these models a variety of criteria and scaling factors are needed. The central phenomenon which all else is derived from is the two-phase gas plume dominating the fluid flows. The plume, and its dependant parameters are difficult to define. Which ones ought to be used and how to use them has not been standardized. Concerns have been raised whether the most common method of scaling is even applicable in ladle metallurgy. This report gives an account for studies concerning these variables and their effect on the subject. The objective of this report is to highlight ways to improve these simulations with respect to debated parameters. The conclusion of this study points out the reasons for why these variables may be of importance for the modeling of the ladle furnace process. It also specifically mentions future work that should be conducted in order to provide deeper knowledge of thedifferent parameters affecting the method of modeling. / Skänkmetallurgin är en viktigt process inom stålindustrin. Syftet med denna process är att optimera den kemiska sammansättningen i smältan och att homogenisera temperaturen i vätskan. Det är vanligt att modelera denna process med hjälp av vattenmodeller. För att träffsäkert skala dessa modeller krävs en mängd kriterier och skal-faktorer. Det mest centrala fenomenet, utifrån vilket allt annat kan härledas, är två-fas gasplymen som dominerar flödena i skänken. Plymen och dess beroende parametrar är svåra att definera. Vilka som bör användas och hur de används har inte standardiserats. Oro har väckts över om den vanligaste skalningsmetoden ens går att använda i skänkmetallurgi. Denna rapport redogör för studier rörande dessa variabler och deras påverkan på ämnet. Syftet med denna rapport är att belysa olika tillvägagångssätt till att förbättra dessa simulationer med hänsyn till debaterade parametrar. Slutsatsen för denna studie lyfter fram anledningarna till varför dessa variabler är av vikt för modellering för skänkmetallurgin. Även framtida arbete som bör utföras föratt ge djupare förståelse för de olika parametrarna belyses.

Gas stirring is currently the most commonly used method of homogenizing liquid steel in commercial processes. However, due to the harsh environment during the process, physical models built out of e.g. plexiglass have been used to easier understand the complex phenomenon occurring in the process. The models are also used to optimize stirring conditions and estimate mixing times. Instead of liquid steel, water has been used for modelling, to increase safety and reduce costs. The water models are usually scaled down to sizes that are easier to handle. Scaling correctly requires fulfilling commonly used criteria and dimensionless numbers. This report investigated the accuracy of these dimensionless numbers and the relations commonly used for scaling. Existing studies and relations were evaluated, and the theoretically best suitable scaling equations were tested. Three bottom blown vessels were built, in order to test the existing relations. By applying scaling criteria and calculating gas flow rates accordingly, the correlation between theoretical mixing time and measured mixing time could be investigated. This thesis concluded that the correlation between the measured mixing times was not significant, however, by implementing the scale factor λ1/2 a better approximation seems to be given. / Gasomrörning är för tillfället den vanligaste metoden som används för att homogenisera flytande stål i kommersiella processer. På grund av de svåra förhållandena under processen har fysiska modeller, byggda av exempelvis plexiglas, använts. Detta för att enklare förstå de komplexa fenomen som uppstår under processen. Modellerna används också för att optimera omrörningsförhållandena och för att uppskatta blandningstider. Istället för flytande stål har vatten använts vid modellering för att öka säkerheten och minska kostnaderna. Vattenmodellerna är vanligtvis nedskalade till storlekar som är lättare att hantera. En korrekt skalning kräver att vanliga kriterier och dimensionslösa tal uppfylls. Denna rapport undersökte noggrannheten för dessa dimensionslösa tal samt relationer som vanligtvis används vid skalning. Befintliga studier och relationer utvärderades och de teoretiskt mest lämpliga skalningsekvationerna testades. Tre stycken kärl med bottenblåsning byggdes för att testa dessa relationer. Genom att tillämpa skalningskriterier och beräkna gasflödeshastigheterna, kunde korrelationen mellan de teoretiska och uppmätta blandningstiderna undersökas. Denna avhandling drog slutsatsen att korrelationen mellan de uppmätta blandningstiderna inte var signifikant. Dock verkade en bättre approximation fås när skalfaktorn λ1/2 implementerades.